一种Kriging时空统一预测模型及其构建方法和应用技术

本发明专利技术属于特别适用于特定功能的数字计算设备或数据处理设备或数据处理方法技术领域，公开了一种Kriging时空统一预测模型及其构建方法和应用，计算测点之间的距离；按照距离大小排序；实现距离分组；确定变异函数，计算变差，组成系数矩阵；计算权值系数，计算预测点的估计值，所有测点完成则结束；所有测点未完成则返回确定变异函数。检测方法不会受到外界因素的干扰；Kriging插值能更好的描述描述空间的连续关联性并反映数据点的整体变化趋势，预测更精确，更优越。

【技术实现步骤摘要】
一种Kriging时空统一预测模型及其构建方法和应用
本专利技术属于特别适用于特定功能的数字计算设备或数据处理设备或数据处理方法
，尤其涉及一种Kriging时空统一预测模型及其构建方法和应用。
技术介绍
目前，业内常用的现有技术是这样的：隧道围岩位移预测预报是围岩稳定性研究中最重要的内容，尽管国内外学者在这方面已经积累了一些研究成果，但对位移预测的研究仍然是围岩变形研究领域中最薄弱的一环。隧道围岩位移预测预报对施工决策有特别重要的意义。在实际监控量测过程中，传统检测方法容易受到外界因素的干扰，再加上仪器设备系统误差和技术人员本身读数误差的不可消除性，使得量测数据很难接近围岩应力应变的真实情况。在这种情况之下，必须采用有效的数据分析方法对离散性较大的量测数据进行排查，以确保数据的真实性，以期实现较为准确的预测，避免对围岩和支护结构的稳定性产生误判，影响隧道施工安全。综上所述，现有技术存在的问题是：当前，国内对隧道围岩变形预测的研究，多是通过位移反演进行岩体力学参数敏感性分析及数值模型优化，或是分析位移的时序变化趋势来预测其稳定收敛值，很难真正实现对围岩变形的有效预测。隧道围岩变形规律本身具有非线性特征，存在很多不确定的随机因素，以致很多理论公式的推导和解释都很难有效的达到准确预测的效果。在隧道实际施工中，往往忽略了隧道围岩的物理力学性质与现场监控量测信息之间的内在关联，之于围岩空间变异性对隧道收敛变形的影响没有引起足够的重视，而这恰恰是对后续未开挖段施工、设计变更与否等具有重要指导意义。解决上述技术问题的难度和意义：Kriging插值法是一种运用结构分析与变异函数相关理论，在有限空间内针对区域化变量进行最优和无偏估值计算的预测方法。相比于上述其它传统预测方法，Kriging插值能更好的描述描述空间的连续关联性并反映数据点的整体变化趋势，预测更精确，更优越。尽管Kriging插值法在地质勘探和地质统计领域应用较为广泛，但在岩土工程领域还未引起国内外专家学者们足够的关注和研究。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种Kriging时空统一预测模型及其构建方法和应用。本专利技术是这样实现的，一种Kriging时空统一预测模型，所述Kriging时空统一预测模型为：式中：Z*(s0,t0)为空间点(s0,t0)处的估计值，Z(si,tj)为时间点(si,tj)处的估计值j＝1,2,…m，λi为临近观测值Z(si,tj)的加权系数，i是空间点数(i＝1,2,…n)，j是空间点数()；引入拉格朗日系数μ进得：式中γ(ab,xy)＝γ(a-b,x-y)是时空点对(sa-sb,tx-ty)的变异函数；μ是拉格朗日乘数。本专利技术的另一目的在于提供一种所述Kriging时空统一预测模型的构建方法，所述Kriging时空统一预测模型的构建方法包括：步骤一，计算测点之间的距离；步骤二，按照距离大小排序；实现距离分组；步骤三，确定变异函数，计算变差，组成系数矩阵；步骤四，计算权值系数，计算预测点的估计值，所有测点完成则结束；所有测点未完成则返回步骤三。进一步，所述Kriging时空统一预测模型的构建方法具体包括：步骤一，选取Kriging插值；步骤二：时空变异函数模型创建：函数模型：Cst(hs,ht)＝k1[Cs(0)-γs(hs)][Ct(0)-γt(ht)]+k2(Cs(0)-γs(hs))+k3(Ct(0)-γt(ht))；步骤三：时空普通Kriging预测：预测公式如下：式中：Z*(s0,t0)为空间点处的估计值，Z(si,tj)(s0,t0)为时间点(si,tj)处的估计值j＝1,2,…m，λi为临近观测值Z(si,tj)的加权系数，i是空间点数(i＝1,2,…n)，j是空间点数()；步骤四：Kriging时空插值模型建模。进一步，所述步骤四时空插值包括：计算时空实验变异函数，估计时空变异模型参数；确定最优的时空变异函数及相关参数；计算出k1、k2、k3，并计算出时空变异函数模型；计算预测值。进一步，所述时空变异函数模型的创建方法为：空间变异函数只能描述在某一固定时刻的不同监测点的空间变异结构，与空间协方差函数Cs(hs)的关系式为：γs(hs)＝Cs(0)-Cs(hs)；与时间协方差函数Ct(ht)的关系式为：γt(ht)＝Ct(0)-Ct(ht)；与时空协方差函数的关系式为：γst(hs,ht)＝Cst(0,0)-Cst(hs,ht)；函数模型如下：当h＝0，且t＝0时，由“Product–Sum”时空变异函数模型得：Cst(0,0)＝k1Cs(0)Ct(0)+k2Cs(0)+k3Ct(0)；得：γst(hs,ht)＝(k1Cs(0)+k3)γt(ht)+(k1Ct(0)+k2)γs(hs)-k1γs(hs)γt(ht)；其中，Cs和Ct分别为空间和时间所对应的协方差，Cs(0)和Ct(0)分别为空间和时间所对应的变异函数基台值，Cst(0,0)为时空变异函数γst的基台值；参数k1、k2、k3的表达式如下：k1＝[Cs(0)+Ct(0)-Cst(0,0)]/Cs(0)Ct(0)；k2＝[Cst(0,0)-Ct(0)]/Cs(0)；k3＝[Cst(0,0)-Cs(0)]/Ct(0)。本专利技术的另一目的在于提供一种应用所述Kriging时空统一预测模型的隧道围岩位移预测预报系统。综上所述，本专利技术的优点及积极效果为：检测方法不会受到外界因素的干扰；相比于上述其它传统预测方法，Kriging插值能更好的描述描述空间的连续关联性并反映数据点的整体变化趋势，预测更精确，更优越。通过交叉验证和相关精度指标对时空Kriging预测模型、灰色Verhulst预测模型两种模型进行对比评定，验证结果表明：相对于灰色Verhulst预测模型，时空Kriging模型预测精度更高，能更准确地预测拱顶下沉位移的发展变化趋势，在实际隧道工程的围岩位移预测中是有效、可行的，同时也为隧道工程监测预报技术提供了一种全新的研究手段。(具体见下表13～表15)附图说明图1是本专利技术实施例提供的Kriging时空统一预测模型的构建方法流程图；图2是本专利技术实施例提供的Kriging时空统一预测模型的构建方法实现流程图；图3是本专利技术实施例提供的Kriging时空统一预测模型及构建方法周边位移及拱顶下沉测点布置图；图4是本专利技术实施例提供的Kriging时空统一预测模型及构建方法YK31+872拱顶沉降实测值与灰色预测值对比图；图5是本专利技术实施例提供的Kriging时空统一预测模型及构建方法YK31+875拱顶沉降实测值与灰色预测值对比图；图6是本专利技术实施例提供的Kriging时空统一预测模型及构建方法YK31+878拱顶沉降实测值与灰色预测值对比图；图7是本专利技术实施例提供的Kriging时空统一预测模型及构建方法YK31+872拱顶沉降实测值与Kriging预测值对比图；图8是本专利技术实施例提供的Kriging时空统一预测模型及构建方法YK31+875拱顶沉降实测值与Kriging预测值对比图；图9是本专利技术实施例提供的Kriging时空统一预测模型及构建方法YK31+878拱顶沉降实测值与Kriging预测值对比图；图10是本专利技术实施例提供的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Kriging时空统一预测模型，其特征在于，所述Kriging时空统一预测模型为：

【技术特征摘要】
1.一种Kriging时空统一预测模型，其特征在于，所述Kriging时空统一预测模型为：式中：Z*(s0,t0)为空间点(s0,t0)处的估计值，Z(si,tj)为时间点(si,tj)处的估计值j＝1,2,…m，λi为临近观测值Z(si,tj)的加权系数，i是空间点数(i＝1,2,…n)，j是空间点数()；引入拉格朗日系数μ进得：式中γ(ab,xy)＝γ(a-b,x-y)是时空点对(sa-sb,tx-ty)的变异函数；μ是拉格朗日乘数。2.一种如权利要求1所述Kriging时空统一预测模型的构建方法，其特征在于，所述Kriging时空统一预测模型的构建方法包括：步骤一，计算测点之间的距离；步骤二，按照距离大小排序；实现距离分组；步骤三，确定变异函数，计算变差，组成系数矩阵；步骤四，计算权值系数，计算预测点的估计值，所有测点完成则结束；所有测点未完成则返回步骤三。3.如权利要求2所述的Kriging时空统一预测模型的构建方法，其特征在于，所述Kriging时空统一预测模型的构建方法具体包括：步骤一，选取Kriging插值；步骤二：时空变异函数模型创建：函数模型：Cst(hs,ht)＝k1[Cs(0)-γs(hs)][Ct(0)-γt(ht)]+k2(Cs(0)-γs(hs))+k3(Ct(0)-γt(ht))；步骤三：时空普通Kriging预测：预测公式如下：式中：Z*(s0,t0)为空间点处的估计值，Z(si,tj)(s0,t0)为时间点(si,tj)处的估计值j＝1,2,…m，λi为临近观测值Z(si,tj)的加权系数，i是空间点数(i＝1,2,…n)，j是空间点数()；步骤四：Kriging时空插值模型建...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡达，
申请(专利权)人：湖南城市学院，
类型：发明
国别省市：湖南,43